《Materials & Design》綜述：沖擊載荷下泡沫鋁及其復合結構的數值模擬，從幾何模型到工程應用

第一作者：賈恬恬、成肖鵬

通訊作者：李濤研究員

通訊單位：濱州鋁產業先進制造山東省實驗室

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114921

【全文速覽】

泡沫鋁及其復合結構作為輕質吸能材料，在汽車、航空航天與軍事防護等抗沖擊領域展現出廣闊前景。由于物理實驗成本高、過程復雜，數值模擬已成為預測其動態力學響應與失效行為的關鍵手段。本文系統梳理了該領域數值模擬的核心進展，涵蓋材料模型、數值方法與典型工程應用。首先，聚焦于幾何與材料屬性建模，詳細介紹了四種典型的泡沫鋁芯結構模型，并討論了相應復合結構的建模策略。其次，歸納了當前主流的沖擊模擬方法與流程，包括有限元法、光滑粒子流體動力學以及若干新興數值方法。根據不同沖擊速度條件，進一步對加載過程進行分類，系統闡述了各類工況下的模擬特點及本構模型的選取原則。隨后，文章總結了泡沫鋁在若干關鍵工程領域中的實際應用案例。最后，針對當前建模與模擬過程中存在的難點與不足，指出了該領域面臨的挑戰，并對未來發展方向進行了展望。

【背景介紹】

泡沫鋁憑借其低密度、高比強度和優異的吸能特性，已成為航空航天、車輛抗沖擊和軍事防護等領域的關鍵輕質材料。為彌補其機械性能有限與耐腐蝕性不足的缺點，常將其與致密面板復合形成增強結構達到拓展工程應用范圍的目的。然而，當前泡沫鋁及其復合結構的抗沖擊性能研究面臨著微觀結構隨機性導致實驗數據離散，以及極端載荷下瞬態損傷演化難以捕捉兩大瓶頸。數值模擬技術因此成為重要研究手段，通過構建精確幾何和材料模型，可有效預測其在沖擊載荷下的動態響應與失效行為，實現多尺度、多物理場耦合分析，顯著提升研究的可靠性與效率。但是目前較多研究只關注其特定性能的模擬需求，很少有研究對沖擊載荷下泡沫鋁及其復合結構從幾何模型到工程應用的數值模擬進行全面整合和分析。因此，本文系統梳理其建模方法、數值技術和典型工況模擬，總結工程應用現狀，并展望未來發展方向，為該類材料的性能優化與工程設計提供理論支持。

【圖文解析】

對泡沫狀材料及其復合結構的動態響應和能量吸收行為進行準確的模擬，關鍵取決于對幾何特征和材料本構行為的精確描述。泡沫狀材料獨特的機械性能很大程度上取決于其復雜的介觀孔隙結構。因此，選擇合適的幾何模型對于有效反映其宏觀力學響應至關重要。泡沫鋁及其復合結構的多尺度建模策略變得越來越多樣化和精細，涵蓋了從理論簡化模型（Gibson-Ashby模型）到周期模型（Kelvin模型）、隨機模型（Voronoi模型）以及基于真實微觀結構的 CT 掃描重建模型等（圖1）。此外，用于泡沫鋁夾芯結構、泡沫鋁填充管以及混合結構的參數化建模技術也日益成熟。（圖2）

圖1.泡沫鋁幾何模型建模方法。a）Gibson-Ashby模型。b）Kelvin模型。c）Voronoi模型。d）基于微計算機斷層掃描的模型。

圖2.泡沫鋁復合結構建模。a）三明治結構。b）填充管結構。c）波紋芯混合結構。d）空間堆疊混合結構。

在當今的數值模擬領域，有限元法與光滑粒子流體動力學法已成為兩大主流技術。有限元法尤其擅長處理低速落錘沖擊和高速彈丸沖擊等場景下的接觸與大變形問題；而SPH方法則在模擬超高速撞擊、爆炸沖擊等極端工況中展現出獨特價值，能夠有效捕捉材料的大幅變形、破碎行為以及流體與結構之間的相互作用。文章對這兩種方法的模擬流程作了具體介紹（圖3）。此外，為進一步提升對泡沫鋁及其復合結構在極端載荷下力學行為的模擬精度與效率，例如大變形、斷裂、破碎及多相耦合等現象，文中還系統梳理了多種新興數值方法，包括離散元法、質點法、近場動力學和等幾何分析，并展望了它們在泡沫鋁及其復合結構沖擊仿真中的應用前景，為相關領域的研究提供了新的思路與工具。

圖3.有限元法與光滑粒子流體動力學法模擬泡沫鋁及其復合結構沖擊效應的典型流程圖。

在泡沫鋁及其復合結構的沖擊性能仿真研究中，數值模擬技術成功再現了材料從低速到中速、高速、超高速以及爆炸沖擊等多種動態載荷下的復雜響應（圖4）。通過采用宏觀均質模型、多尺度建模以及有限元法（FEM）、光滑粒子流體動力學（SPH）等先進方法，研究準確預測了泡沫鋁及其復合結構在沖擊過程中的變形模式、失效機制與能量吸收特性，例如彈體侵徹深度、背板變形形態、沖擊波衰減效率及碎片云分布等關鍵指標。這些仿真結果不僅在定量上與實驗數據高度吻合，直觀呈現了結構的動態響應過程，也為泡沫鋁在車輛碰撞防護、裝甲設計、空間碎片防護及爆炸緩沖等多類工程場景中的性能評估與結構優化提供了關鍵理論依據，顯著減少了對高成本重復試驗的依賴。

圖4.泡沫鋁及其復合結構在不同沖擊速度下的模擬案例。

【總結與展望】

本綜述系統性地闡述了鋁泡沫及其復合材料的數值模擬研究，涵蓋了從材料建模、多尺度仿真方法到工程應用與未來挑戰的全鏈條內容。泡沫鋁復合材料在沖擊工程領域的仿真研究正邁向智能化與多功能化的新階段。未來，研究將聚焦于融合機器學習與優化算法，以構建高效的參數化替代模型，并整合CT掃描、分子動力學等多尺度建模技術，實現對材料從微觀結構到宏觀性能的精準預測。同時，針對功能梯度泡沫鋁、智能材料復合結構等新型多功能體系，建立“材料-結構-功能”一體化仿真設計方法，將成為提升其抗沖擊性與能量吸收效率的關鍵。這些先進的仿真技術將極大地推動泡沫鋁在深空探測、航空器緩沖、艦船防護及輕型裝甲等極端與安全關鍵場景中的創新應用（圖5）。

圖5.從智能建模、跨尺度模擬、多功能材料和未來應用四個方面闡述了沖擊載荷下泡沫鋁及其復合結構在數值模擬領域的未來發展前景。

【文章合作單位】

山東宏鈞新材料技術有限公司，致力打造具有強大生命力和競爭力的高性能泡沫鋁結構件研發和制造基地。通過“高性能鋁基泡沫材料項目”建設，預計投產后達到年產3萬m3高性能泡沫鋁構件及年產40萬件異形件產能。該項目采用自主研發達到世界先進的第二代泡沫鋁制備技術（變壓發泡法）實現泡沫鋁孔結構的主動控制及泡沫鋁三明治結構的冶金級結合，使性能及穩定性顯著提升。該技術達到了國內領先，國際先進水平，其材料產品壓縮強度高、能量吸收能力強、性能可靠性高，可廣泛應用于公路交通、新能源汽車、建筑裝飾材料、核工業、燃油車身輕量化和特殊車輛防撞模塊等領域。

【原文信息】

Tiantian Jia, Xiaopeng Cheng, Yang Lu, Tao Li, Numerical simulation of aluminum foam and its composite structures under impact loads: From geometric models to engineering applications. Mater. Des. 2025, 259: 114921.

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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